CN100519259C

CN100519259C - 一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁设计方法

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Publication number: CN100519259C
Application number: CNB2007101926572A
Authority: CN
Inventors: 李云钢; 程虎; 陈革; 陈贵荣; 陈慧星; 吴志添; 张鼎
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: CN101204931A

Abstract

本发明提出了一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其是根据磁浮列车的承载重量的变化范围调整永久磁铁的工作点，使得当承载重量变化范围较大时，永久磁铁工作点位于最大磁能积点附近。具体可先根据永久磁铁的B-H曲线选取稳定悬浮时工作点的变化范围，使得该变化范围在最大磁能积点附近；然后根据磁浮列车的承载重量的变化范围计算永久磁铁的磁极面积，使得永久磁铁的工作点在所选定的最大磁能积点变化范围内；再根据磁浮列车的承载重量的变化范围和车载电网的容量，计算永久磁铁沿磁场方向的最小长度和电磁铁的最大安匝数。本发明方法可根据承载能力要求选择永久磁铁的工作点，所设计的混合磁铁可以满足不同的承载能力要求。

Description

一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁设计方法

【技术领域】

本发明涉及磁浮列车，具体涉及一种EMS型(电磁型)磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法。

【背景技术】

EMS型磁浮列车的工作机理是利用磁铁吸引轨道来提供悬浮力，并通过改变磁铁所提供的悬浮力使列车保持稳定悬浮，因此，悬浮磁铁是磁浮列车的关键部件，它决定了磁浮列车的承载能力和悬浮性能。

EMS型磁浮列车的悬浮磁铁通常采用电磁铁，例如德国的TR、日本的HSST都采用电磁铁。为了提高承载能力，通常要求选择电磁铁的电流较大，而悬浮间隙又要求较小，这样往往导致车载供电设备的体积和容量大，电磁铁发热严重，对悬浮间隙控制精度的要求较高。

从悬浮磁铁的角度来说，上述问题主要有以下两种解决方案：(1)悬浮磁铁由电磁铁和超导磁铁组成，超导磁铁提供主要的悬浮力，电磁铁控制系统的稳定；(2)悬浮磁铁由电磁铁和永久磁铁组成，永久磁铁提供主要的悬浮力，电磁铁控制系统的稳定。

虽然超导磁铁能提供强磁场，但它的工作温度较低，因此还需提供制冷设备和磁屏蔽装置，这样会增加系统的造价和复杂程度，实现起来比较困难。而永久磁铁能在常温下工作，采用钕铁硼永久磁铁就可以提供磁浮列车所需的磁场，成本较低，实现也比较容易。因此，目前的研究主要采用第二种方案，例如美国的M3、中科院电工所、前沿所等单位都对该方案进行了一定的研究。美国的M3对该领域进行了较深入的研究，但是受永久磁铁安装位置的限制，该装置的承载能力不足，还不能满足工程应用要求。

【发明内容】

本发明针对目前EMS型磁浮列车现有技术存在的不足，提出了一种设计永磁电磁混合磁铁的方法，可根据承载能力要求选择永久磁铁的工作点，所设计的混合磁铁可以满足不同的承载能力要求。

本发明所提出的技术方案是：

一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其是根据磁浮列车的承载重量的变化范围调整永久磁铁的工作点，使得当承载重量变化范围较大时，永久磁铁工作点位于最大磁能积点附近。

所述调整永久磁铁的工作点的步骤为：

(1)根据永久磁铁的B-H曲线选取稳定悬浮时工作点的变化范围，使得该变化范围在最大磁能积点附近；

(2)根据磁浮列车的承载重量的变化范围计算永久磁铁的磁极面积，使得永久磁铁的工作点在步骤(1)所选定的变化范围内；

(3)根据磁浮列车的承载重量的变化范围和车载电网的容量，计算永久磁铁沿磁场方向的最小长度和电磁铁的最大安匝数。

其中，所述步骤(1)根据承载时悬浮磁场的磁通量计算永久磁铁的磁极面积范围，以确定悬浮时永久磁铁的工作点的变化范围。

本发明具有下列技术效果：

(1)本发明在承载重量变化范围较大时，可通过增大永久磁铁的磁极面积的方法，使得永久磁铁工作在最大磁能积点附近，并且工作点的可调整范围较大。

(2)在满足额定承载要求的前提下减小永久磁铁沿磁场方向的长度，可使得永久磁铁的工作点能随电流变化迅速调整，即电流安匝数改变一定量时工作点的调整幅度大，使得悬浮力随电流的变化显著，从而使混合磁铁具有较好的可控性。

(3)由于减小了永久磁铁沿磁场方向的长度，使永久磁铁的工作点随电流变化速度加快(永久磁铁沿磁场方向越短，永久磁铁的工作点随电流变化越迅速)，即悬浮力改变一定量时所需的电流安匝数降低，故在磁浮列车的承载能力保持不变的前提下，可减少电磁线圈所需的最大安匝数，减小电磁铁的体积和重量，进而可以减小车载供电设备的体积和重量。

(4)在同样的承载重量下，通过增大永久磁铁的磁极面积，还可以增大混合磁铁的悬浮间隙，降低磁浮列车对轨道精度的要求。

采用本发明设计的永磁电磁混合磁铁，既适用于EMS型磁浮列车，也适用于其它EMS型磁悬浮系统。

【附图说明】

图1为永久磁铁的B-H曲线；

图2为本发明三个磁极的永磁电磁混合磁铁的结构示意图；

图3为本发明EMS磁浮列车的全磁极混合磁铁的结构示意图；

图4为永久磁铁的拼装示意图。

【具体实施方式】

在永磁磁铁研究领域里，设计永磁电磁混合磁铁的关键在于合理选取永久磁铁的工作点。众所周知，永久磁铁的B-H曲线是由材料决定的，它反映了永久磁铁工作点的变化趋势和变化范围。如图1所示，其中B_m为工作点的磁密，H_m为工作点的磁场强度，B_r为永久磁铁的剩磁，H_c为永久磁铁的矫顽力。如果永久磁铁的工作点过高或过低，那么它的变化范围会很小，直接导致混合磁铁所提供的悬浮力的变化范围非常有限，使得磁浮列车的动态调整过程比较困难，甚至无法实现稳定悬浮。

根据磁通连续定理，悬浮磁场的磁通量等于永久磁铁提供的磁通量，即永久磁铁工作点的磁密与悬浮磁场的磁通量成正比，与永久磁铁的磁极面积成反比。当承载重量变化时，需要悬浮磁场提供的磁通量会随之改变，因此永久磁铁工作点的磁密也受到影响，具体表现在承载重量越大，悬浮磁场的磁通量就越大，永久磁铁的工作点也越高，反之亦然。考虑磁浮列车稳定悬浮时的工作点，如果列车满载，那么承载重量最大，工作点最高；如果车辆空载，那么承载重量最小，工作点最低。磁浮列车的承载能力越高，意味着承载重量的变化范围越大，稳定悬浮时工作点的变化范围也越大。同时，进一步考虑到磁浮列车的动态调整过程，工作点的实际变化范围更大。因此，对永久磁铁的材料和工作点的选取提出了约束，一方面，永久磁铁的B-H曲线的范围要比稳定悬浮时工作点的变化范围大；另一方面，稳定悬浮时工作点的变化范围应位于B-H曲线的中间段。

本发明针对磁浮列车承载重量变化范围较大时，永久磁铁的工作点容易偏高或偏低的问题，提出了一种设计永磁电磁混合磁铁的方法，其主要是可根据承载重量的变化范围来调整永久磁铁的工作点，可使得当磁浮列车承载重量变化范围较大时，永久磁铁能工作在最大磁能积点附近。采用这种方法设计的永磁电磁混合磁铁，工作时，即使承载重量变化范围较大时，也能提供足够的悬浮力，并且悬浮力能够随电流变化迅速调整，使得混合磁铁具有较好的可控性。

本发明具体做法是：当承载重量变化范围较大时，增大永久磁铁的磁极面积，使得永久磁铁工作点的变化范围变小，仅在最大磁能积点附近变化；并减小永久磁铁沿磁场方向的最小长度和电磁铁的最大安匝数，以降低所需的车载电网的容量，并且加快永久磁铁的工作点随电流的调整速度，使得混合磁铁具有较好的可控性。

本发明具体步骤是：

1)根据永久磁铁的B-H曲线选取稳定悬浮时工作点的变化范围，使得该变化范围在最大磁能积点附近。

如图1所示，点A表示永久磁铁的最大磁能积点，曲线段BC表示所选取的工作点的变化范围，该变化范围包括点A，并且它相对于B-H曲线所允许的工作点变化范围要小的多。记点B对应的磁密为B_min，点C对应的磁密为B_max，那么B_min和B_max分别是永久磁铁所提供的磁密的最小值和最大值。

2)根据承载重量变化范围来选取永久磁铁的磁极面积。

磁浮列车满载时的承载重量最大，需要永久磁铁提供的磁密也最大。假设永久磁铁的工作点在点C，即永久磁铁提供最大的磁密B_max，那么根据悬浮磁场的磁通量可以计算出永久磁铁的磁极面积的下限为S_min。同样，空载时的承载重量最小，需要永久磁铁提供的磁密也最小。假设永久磁铁的工作点在点B，即永久磁铁提供最小的磁密B_min，那么根据悬浮磁场的磁通量可以计算出永久磁铁的磁极面积的上限为S_max。如果磁极面积的下限S_min小于它的上限S_max，那么我们就能选取永久磁铁的磁极面积S_m，使得S_min<S_m<S_max；如果磁极面积的下限S_min大于它的上限S_max，那么需要返回第一步，重新选取稳定悬浮时永久磁铁工作点的变化范围。

3)减小永久磁铁沿磁场方向的最小长度和电磁铁的最大安匝数，以降低所需的车载电网的容量，并且加快永久磁铁的工作点随电流的调整速度，使得混合磁铁具有较好的可控性。

由于混合磁铁沿磁场方向的长度与承载重量的变化范围有关，在满足额定承载要求的前提下，减小永久磁铁沿磁场方向的长度，并根据承载重量的变化和动态调节的要求，计算电磁铁的最大安匝数；如果电磁铁的最大安匝数超出了车载电网的容量，则要适当增大永久磁铁沿磁场方向的长度，直至车载电网能够给电磁铁提供计算所得的最大安匝数。这种调整的作用在于：第一，由于永久磁铁的相对磁导率很小，使得它本身的磁势降无法忽略，所以永久磁铁沿磁场方向越短，调整工作点时电磁铁需要提供给它的磁势降的变化量就越小，工作点的调整速度随电流的变化就越迅速；第二，电磁铁的最大安匝数减小后，首先，电磁线圈的体积和重量会减小，有利于减轻磁铁自重，提高承载能力；其次，所需的车载电网的容量可以减小，相应地供电设备的成本和代价都会降低。

4)根据永久磁铁和电磁铁的设计尺寸调整磁轭的设计尺寸，调整的原则是：第一，磁轭能够与永久磁铁完好贴合，二者接触面的截面积基本相等；第二，磁轭能够与铁芯完好贴合，二者接触面的截面积基本相等；第三，磁轭在与磁场垂直方向上的截面积要大于某一固定值，避免出现磁通饱和现象。

根据上述方法，本发明设计了具有三个磁极的永磁电磁混合磁铁结构实施例，用于EMS磁浮列车上。

如图2所示，本实施例的永磁电磁混合磁铁包括永久磁铁1、磁轭2、电磁线圈3、铁芯4、电磁线圈5以及铁芯6，所述铁芯4和铁芯6为导磁材料，电磁线圈3采用导电材料线绕铁芯4而成，一个电磁线圈3和一个铁芯4便组成一个中间电磁磁极，电磁线圈5采用导电材料线绕铁芯6而成，一个电磁线圈5和一个铁芯6便组成一个端部电磁磁极，本实施例采用两个端部电磁磁极和一个中间电磁磁极，成行排列；所述永久磁铁1为矩形结构，通常可选择钕铁硼永磁材料，所述磁轭2位于永久磁铁1之S极和N极外侧，通常选用导磁材料，如钢铁即可；磁轭2和永久磁铁1位于相邻两个电磁磁极之间，并且磁轭2与电磁磁极底部贴合，因此磁轭2的形状必须与永久磁铁1和电磁磁极之形状保持一致。

如图2所示，为了形成闭合磁路7，相邻两个永久磁铁1的磁场方向相反，通电以后电磁线圈3和电磁线圈5的磁场方向也相反。(由于电磁线圈的磁场方向既与线圈绕制方向有关，又与电流方向有关，通常电磁线圈的绕制方向是一样的，本发明通过改变电磁线圈正负极的连接方式，使得相邻两个电磁线圈的磁场方向相反)这种结构与排列可以看到，永久磁铁1的磁极面积较大，在承载重量变化范围较大时，可使永久磁铁工作在最大磁能积点附近。

如图2所示，为了优化闭合磁路7，通常电磁线圈5的宽度小于电磁线圈3的宽度，铁芯6的宽度亦小于铁芯4的宽度。

图3是本发明的EMS磁浮列车的全磁极混合磁铁的另一实施例结构示意图。如图3所示，EMS型磁浮列车的混合磁铁有八个磁极，当然，还可以根据需要作适当的增加或减少。图3相对于图2来说，混合磁铁进行了加长，增加了五个中间电磁磁极，相应地永久磁铁1增加了五个，磁轭2增加了十个。本实施例永久磁铁1的面积相对于上述实施例较大，是因为EMS型磁浮列车的承载重量变化范围较大。为形成闭合磁路，相邻永久磁铁的磁场方向相反，通电以后相邻电磁线圈的磁场方向也相反。

图4是本发明的永久磁铁的拼装示意图。由于EMS型磁浮列车的承载重量大，所以设计的永久磁铁的磁极面积也大。但是，由于受当前加工工艺的限制，单块永久磁铁的尺寸无法达到较大的尺寸。因此，永久磁铁1可用至少两块永久磁铁拼装而成。如图4所示，永久磁铁1由四块小型永久磁铁8排列而成，可增大永久磁铁的磁极面积。当然，也可以根据需要调整小块永久磁铁8的排列方式和数量；在小块永久磁铁8的中心处开有小孔，可通过螺钉将永久磁铁8固定在磁轭上。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1、一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其特征在于：其是根据磁浮列车的承载重量的变化范围调整永久磁铁的工作点，使得当承载重量变化范围较大时，永久磁铁工作点位于最大磁能积点附近；所述调整永久磁铁的工作点的步骤为：

2、根据权利要求1所述的电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)是根据承载时悬浮磁场的磁通量计算永久磁铁的磁极面积范围，以确定悬浮时永久磁铁的工作点的变化范围。